图1 年气温变化特征
纸质出版日期:2023-11-25,
网络出版日期:2023-07-31,
收稿日期:2023-02-09,
录用日期:2023-04-27
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为探讨贵州省气温和降雨量在不同时间尺度下的变化特征、突变情况、相互关系与未来发展趋势,利用线性趋势、累积距平、Mann-Kendal(M-K)检验、R/S(重标极差分析法)分析等方法,分析了1951—2021年贵州气象站的逐日气温和降雨量数据。结果表明,贵州省年平均气温、年最高和最低气温的上升速率分别为0.08、0.11和 0.25 ℃/10a,年最低气温对全球气候变暖的响应最敏感,秋、冬两季对年平均气温的上升贡献最大,这主要受西伯利亚高压和东亚冬季风影响所致。贵州省气温变化趋势与全国大体一致,从1990s开始显著增温;2009年为年平均气温显著突变年,呈显著上升趋势。贵州省年降雨量以23.46 mm/10a的速率显著下降;冬季降雨量呈上升趋势,春、夏、秋季均为下降趋势;平均夏季降雨量占年降雨量的51%;年降雨量从20世纪80年代开始显著下降;1986、1990和1992年分别为年、春季、秋季降雨量的显著突变年,均呈显著下降趋势。年降雨量与气温呈负相关关系;气温和降雨量的Hurst指数表明,贵州未来的气温仍维持升温趋势,降雨量仍维持下降趋势,贵州省的气候持续为暖干趋势。
To explore the characteristics of temperature and rainfall in Guizhou Province, the daily temperature and rainfall data of Guizhou weather stations from 1951-2021 were analyzed at different time scales by using methods such as linear trend, cumulative anomaly, Mann-Kendal(M-K) test, and R/S (re-scale range analysis). The results show that the increasing rate of the annual mean, annual maximum, and minimum temperature were 0.08 °C/10a, 0.11 °C/10a, and 0.25 °C/10a, respectively, and the annual minimum temperature was the most sensitive to global warming. The autumn and winter seasons contributed the most to the annual mean temperature increase, mainly influenced by Siberian high pressure and East Asian winter winds. The temperature evolution of Guizhou was generally consistent with that of China and has increased significantly since the 1990s. The annual mean temperature in 2009 showed a significant increase. The annual rainfall decreased significantly at a rate of 23.46 mm/10a. The rainfall in spring, summer, and autumn showed a downward trend, while in winter it showed an upward trend. The rainfall in summer accounted for 51% of the annual rainfall. The annual rainfall has declined obviously since the 1980s. 1986, 1990, and 1992 showed sharp decrease in annual, spring, and autumn precipitation, respectively. The annual rainfall is negatively correlated with temperature. The Hurst index of temperature and rainfall indicated that the temperature in Guizhou continued to rise and the rainfall continued to decline, and the climate in Guizhou may continue to be warm and dry. This study provided a reference for predicting the future temperature and rainfall in Guizhou Province.
气候变化增加了极端天气事件的频率和强度,严重影响人类生产和生活,以及社会经济的可持续发展(
西南地区是我国气候变化的敏感区和脆弱区,贵州地处云贵高原,是长江、珠江上游重要的生态屏障,其温度和降雨的变化是我国西南地区气候变化最直观的体现,可对区域生态环境功能造成显著影响。我国土地面积辽阔,不同地域的气候因子在演变特征上都存在一定程度的差异(
贵州省位于中国西南部的云贵高原,位于103°36′~109°35′ E,24°37′~29°13′ N,平均海拔约1 100 m,地貌的显著特征是山地和丘陵居多、地貌条件复杂、生态环境极为脆弱(
本研究气候数据资料包括贵州气象站1951—2021年的逐日平均气温、最高和最低气温,以及降雨量数据,由中国气象数据网(http://data.cma.cn/)提供,该数据资料完整。本研究以季、年、年代(每10 a)时间序列进行分析,3~5月为春季,6~8月为夏季,9~11月为秋季,12~翌年2月为冬季(
采用线性趋势、累积距平、滑动平均、Mann-Kendal(M-K)检验法分析份气温和降雨量的变化趋势和突变情况,运用R/S(重标极差分析法)分析气温和降雨量的未来发展趋势,利用回归分析法分析气温与降雨量之间的关系,并进行显著性检验(
M-K方法是一种非参数统计检验方法,既可以检验时间序列的变化趋势,也可以进行突变点检验。在以往气候变化研究中得到了广泛的应用(
Sk=∑n-1i=1∑nj=i+1sgn(xj-xi) , |
其中sgn(x)为符号函数。
定义统计量
UFk=Sk-E(Sk)√var(Sk) , k=1,2,…,n , |
var(Sk)=172[n(n-1)(2n+5)] , |
E(Sk)=k(k-1)4 . |
UFk为标准正态分布,其中UF1=0;UFk是按时间序列X的顺序(x1,x2,…,xn)计算出的统计量序列,给定显著性水平α,若|UFk|>Uα,则表明序列存在明显的趋势变化。按时间序列X的逆序,重复上述步骤,可得到UBk,其中,UBn=0。UFk点绘成UF曲线,UBk 点绘成UB曲线。突变点的详细判别标准参考
R/S分析法的赫斯特指数(Hurst)是定量描述时间序列数据长期依赖性的有效方法(
1951—2021年贵州的年平均气温为14.53 ℃,最高年平均气温为15.46 ℃(1998年),最低年平均气温为13.64 ℃(1976年)(
图1 年气温变化特征
Fig.1 The characteristics of annual temperature
近71 a各季节平均气温整体上均呈显著上升趋势(P<0.05,Zc > 1.96),春、夏、秋、冬季的升温速率分别为0.072、0.066、0.105和0.125 ℃/10a(
图2 平均气温的季节变化特征
Fig.2 The characteristics of seasonal in mean temperature: (a) spring, (b) summer, (c) autumn, (d) winter
气温的年代变化趋势可直观体现气候在不同时间阶段的变化状况。在全球气候变化大背景下,我国气温的年代变化趋势与全球的大体一致,1950s—1980s气温距平值为负值,气温偏冷,1980s中期出现变暖,1990s气温距平值转为正值,呈显著升温趋势(
图3 气温的年代变化特征
Fig.3 The characteristics of the decadal in temperature
当气候从一种稳定状态过渡到另一种稳定状态时,就会发生突变,这是气候系统中普遍存在的一种非线性的特殊表现(
图4 年平均温度Mann-Kendall突变检验
Fig.4 Mann-Kendall test of annual mean temperature
近71 a贵州多年平均降雨量约为1 210 mm(
图5 降雨量变化特征
Fig.5 The characteristics of annual and seasonal rainfall
从年代际的角度分析可知,1950s—1970s的降雨量均大于多年平均降雨量,其中1970s的降雨量达到最高(1 289.41 mm),1980s—2010s的降雨量均小于多年平均降雨量,2010s的降雨量达到最低(1 108.24 mm)(
图6 年平均降雨量年代变化特征
Fig.6 The characteristics of average annual the decadal in rainfall
年和季节降雨量的UF和UB曲线均有交点;除冬季外,年和其余季节降雨量整体呈下降趋势(
图7 降雨量的Mann-Kendall突变检验
Fig.7 Mann-Kendall test of annual and seasonal rainfall
降雨量与气温的回归分析得知,两者的散点分布范围广,规律性不强(图
图8 年平均气温与降雨量的回归拟合
Fig.8 Regression fits of the average annual temperature with rainfall
图9 气温与降雨量的回归拟合
Fig.9 Regression fitting of temperature with rainfall
通常,应用赫斯特指数(Hurst)预测气温和降雨的未来变化趋势。分析年平均气温、年最高和最低气温的ln(R/S)与lnt间关系发现,两者间呈现出较高的相关性,Hurst指数均大于0.5(
图10 年气温、年和各季降雨量的R/S分析
Fig.10 R/S analysis of annual temperature, annual and seasonal rainfall
年和四季降雨量的ln(R/S)与lnt间关系亦呈现出较高的相关性,除夏季外,Hurst指数均>0.5(
本文分析了1951—2021年(近71 a)贵州逐日气温和降雨量数据,揭示了气温、降雨变化特征及两者间的关系与未来发展趋势,得到如下主要结论:
1) 年平均气温、年最高和最低气温分别以0.08、0.11和 0.25 ℃/10a的速率上升,年最低气温对气候变暖的响应最敏感。春、夏、秋、冬季节平均气温的上升速率分别为0.072、0.066、0.105和0.125 ℃/10a,秋冬两季对年平均气温上升贡献最大。1950s—1980s年气温处于偏冷期,从1990s开始显著增温,进入偏暖期;年平均气温自2009年期起发生显著增温突变。
2) 降雨量以23.46 mm/10a的速率呈显著下降趋势。冬季降雨量以1.03 mm/10a的速率轻微上升,春、夏、秋分别以8.11、7.86和8.53 mm/10a的速率下降。夏季的降雨量占年总降雨量的51%,1950s—1970s降雨量偏多,1980s—2010s降雨量偏少,整体气候偏干。春、秋季节和年降雨量的显著突变点分别在1990、1992、1986年。
3) 气温与降雨量之间呈负相关关系。气温和降雨量的Hurst指数值均大于0.5,说明贵州气温和降雨未来的变化趋势与历史趋势一致,即可能持续向暖干趋势发展,气温上升,降雨量下降。
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